某車型后排座椅鞭打性能研究與優(yōu)化

崖文瀚，陳月亮，段大祿，黎謙，凡沙沙

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司柳州分公司，廣西柳州 545007

0 引言

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車消費(fèi)者對(duì)汽車安全越來越關(guān)注，追尾作為最常見交通事故，對(duì)乘員頸部的傷害不僅具有頑固性、持久性特點(diǎn)，甚至還很難治愈，因此提升座椅在追尾事故中對(duì)乘員的保護(hù)性能十分必要。

追尾事故中，前車駕乘人員的軀干加速向前運(yùn)動(dòng)，但頭部因慣性作用會(huì)相對(duì)滯后，導(dǎo)致前車駕乘人員頭部向后轉(zhuǎn)動(dòng)而造成頸部受傷，這類受傷稱為“揮鞭傷”（whiplash Injury）。為降低揮鞭傷風(fēng)險(xiǎn)，2012年C-NCAP開始引入主駕鞭打試驗(yàn)，2021年C-NCAP增加后排鞭打試驗(yàn)?，F(xiàn)階段對(duì)主駕鞭打的研究較多[1-2]，也較為成熟，但對(duì)后排座椅鞭打性能研究較少。C-NCAP 2021版規(guī)程公布的12款車型中，只有5款車型的后排鞭打試驗(yàn)得分超過1.5分（滿分2分），得分情況非常不理想，如圖1所示。

圖1 C-NCAP 2021版后排鞭打得分情況

本文根據(jù)前排鞭打的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合某車型后排座椅的結(jié)構(gòu)特性和鞭打試驗(yàn)結(jié)果，提出后排座椅優(yōu)化方案并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為提升后排座椅鞭打性能提供參考。

1 后排鞭打試驗(yàn)評(píng)估方法

根據(jù)C-NCAP 2021版試驗(yàn)程序[3]，將座椅及約束系統(tǒng)參照原車結(jié)構(gòu)固定安裝在移動(dòng)滑車上。隨機(jī)選擇試驗(yàn)車輛第二排座椅的左側(cè)或右側(cè)位置放置BioRID II 型假人，滑車速度以變化量為（20.0±1.0）km/h的特定加速度波形發(fā)射，用以評(píng)估假人頸部受到的傷害情況。某車型后排鞭打試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 某車型后排鞭打試驗(yàn)

后排鞭打試驗(yàn)在C-NCAP 2021版規(guī)程中分值為2分，依據(jù)假人內(nèi)部傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。主要數(shù)據(jù)包括頸部傷害指數(shù)NIC、上頸部剪切力Fx+、上頸部拉力Fz+、上頸部扭矩My、下頸部剪切力Fx+、下頸部拉力Fz+、下頸部扭矩My，其中上頸部和下頸部取3項(xiàng)得分中最低值作為該組得分，具體評(píng)分見表1。

表1 C-NCAP 2021版后排鞭打試驗(yàn)評(píng)分

2 BioRID II假人頸部損傷機(jī)理及影響因素

假人頸部損傷機(jī)理：碰撞中頭部和胸部之間的運(yùn)動(dòng)差異導(dǎo)致相鄰頸椎間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[4]。發(fā)生追尾時(shí)，車輛忽然向前加速運(yùn)動(dòng)，乘員軀干會(huì)被座椅靠背向前推動(dòng)，但頭部由于慣性并未向前運(yùn)動(dòng)，而是相對(duì)軀干向后仰，此時(shí)頭部和軀干向相反的方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致頭部和軀干間的相對(duì)加速度增大，上下頸部的Fz、My增大。

總體來說，追尾可分為初始階段（碰撞前）、收縮階段（頭部后移）、拉伸階段（頭部后仰）、反彈階段（頭部回彈）4個(gè)階段，鞭打傷害主要發(fā)生在拉伸階段，如圖3所示。

圖3 追尾的4個(gè)階段

鞭打試驗(yàn)中，BioRID II假人評(píng)估采集的是頭部加速度、胸部第1胸椎處（T1）加速度、上頸部Fx/Fz/My、下頸部Fx/Fz/My，其結(jié)構(gòu)和傳感器布置位置如圖4所示。

圖4 BioRID II假人頭頸結(jié)構(gòu)和傳感器布置位置

3 某車型后排座椅試驗(yàn)

3.1 某車型后排座椅試驗(yàn)得分

某車型后排座椅按C-NCAP2021版規(guī)程進(jìn)行后排鞭打試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)得分為0.916分（總分2分），試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 某車型后排座椅鞭打試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果看出，后排鞭打主要失分項(xiàng)為NIC、上頸部載荷Fz+和下頸部載荷Fz+，故針對(duì)這3項(xiàng)進(jìn)行分析。

3.2 試驗(yàn)問題及原因分析

3.2.1 頸部傷害指數(shù)NIC分析

NIC的考察內(nèi)容為頭部與T1的相對(duì)加速度和相對(duì)速度，計(jì)算公式為：

式中，T-HRC（end）為頭部與頭枕分離時(shí)刻的相對(duì)加速度。

式中，AxT（t）為T1加速度，AxHead（t）為頭部加速度。相對(duì)速度：

由上述公式可知，NIC主要由同一時(shí)刻的T1加速度和頭部加速度的差值產(chǎn)生，差值越大，NIC越大，反之越小。

試驗(yàn)NIC曲線、頭部加速度曲線、T1加速度曲線如圖5所示。40 ms時(shí)，T1開始上升，73 ms時(shí)，頭部加速度開始上升，75 ms時(shí)，NIC出現(xiàn)峰值，此時(shí)T1加速度與頭部加速度的差值最大，因此降低NIC的方法有：①降低T1前期加速度；②頭部加速度更早響應(yīng)；③增大頭部前期加速度。

圖5 NIC、T1及頭部加速度曲線

（1）降低T1前期加速度。T1加速度傳感器位于頸部與胸部連接處，T1和靠背的相對(duì)位置試驗(yàn)時(shí)主要受到靠背上部的作用力，如圖6所示。可通過減弱座椅靠背上部強(qiáng)度來降低T1加速度。

圖6 T1和靠背的相對(duì)位置

（2）頭部加速度更早響應(yīng)。頭部加速度響應(yīng)快慢是由頭部接觸頭枕時(shí)刻決定的，通過縮短頭部到頭枕的距離可加快頭部加速度響應(yīng)。

（3）增大頭部加速度。頭部加速度傳感器位于頸部上端處，試驗(yàn)時(shí)主要受慣性力、頭枕對(duì)其的作用力及頸部對(duì)其的作用力，如圖7所示。

圖7 假人頭部受力情況

圖中，F(xiàn)HX為頭枕對(duì)頭的作用力，F(xiàn)NX為上頸部對(duì)頭的作用力，Mhead為假人頭部質(zhì)量（4.54 kg），Ahead為頭部加速度。由牛頓第二定律：

頭部加速度由頭枕和上頸部對(duì)頭的作用力產(chǎn)生，本次試驗(yàn)頭枕對(duì)頭的作用力曲線（FHX）、上頸部對(duì)頭的作用力曲線（FNX）如圖8所示。影響頭部加速度的因素主要是頭枕對(duì)頭部的作用力，因此可通過增大頭枕剛度提升頭部加速度。

圖8 假人頭部受力曲線

3.2.2 上頸部載荷Fz+分析

上頸部載荷傳感器位置及受力分析如圖9所示，F(xiàn)z為上頸部載荷，F(xiàn)h為頭枕對(duì)頭部的支撐合力，F(xiàn)hx為頭枕對(duì)頭部的X向支撐力，F(xiàn)hz為頭枕對(duì)頭部的Z向支撐力，F(xiàn)in為頭部慣性力，F(xiàn)inx為X向頭部慣性力，F(xiàn)inz為Z向頭部慣性力。由圖9可知

圖9 上頸部載荷傳感器位置及受力分析

因此通過減小Fhz和Finz來實(shí)現(xiàn)對(duì)Fzd的調(diào)整。

（1）減小Finz。本次試驗(yàn)頭枕高度55 mm（頭比頭枕高），頭枕不能有效約束頭部，頭部在慣性力的作用下向后方向滑動(dòng)，因此可通過抬高頭枕高度來減小Finz。

（2）減小Fhz。頭枕對(duì)頭部的支撐力垂直于接觸面，在上頸部局部坐標(biāo)系下分解，F(xiàn)hz向上，則該支撐力對(duì)上頸部Fz為正向作用，F(xiàn)h的方向由接觸面的法向決定，當(dāng)接觸面向豎直面旋轉(zhuǎn)，則向上分力Fhz變小。因此，可通過向豎直面調(diào)整頭枕角度，達(dá)到降低上頸部Fz+的目的。

3.2.3 下頸部載荷Fz+分析

針對(duì)下頸部載荷偏高問題的研究表明，頭部往上運(yùn)動(dòng)的距離超出了頭枕高度，導(dǎo)致頸部向后彎曲過大[5]，如圖10所示。

圖10 下頸部傳感器位置及變形

4 改進(jìn)方案

根據(jù)上述分析，座椅鞭打試驗(yàn)是一個(gè)復(fù)雜的受力過程，其得分與座椅的眾多結(jié)構(gòu)及參數(shù)有關(guān)，提升鞭打性能，需要對(duì)座椅進(jìn)行多方面改進(jìn)。綜合考慮座椅舒適性、成本、工藝及制造等相關(guān)因素，確定4項(xiàng)具體的優(yōu)化方案：

（1）將卷收器下移150 mm，本次試驗(yàn)后排座椅骨架如圖11所示，卷收器位于靠背上部，通過將卷收器下移150 mm、減小靠背上部剛度來降低T1加速度。

圖11 某后排座椅骨架

（2）將頭枕?xiàng)U的厚度由1.6 mm改為1.8 mm。

（3）頭后間隙由49 mm改為10 mm，縮短頭部到頭枕的距離，使頭部更早與頭枕接觸，從而減小T1加速度和頭部加速度差，如圖12所示。

圖12 頭枕及頭枕?xiàng)U優(yōu)化

（4）將頭枕高度抬高50 mm，同時(shí)將頭枕向豎直方向旋轉(zhuǎn)10°，提高頭枕對(duì)頭部的支撐，阻止頭枕后仰，減小頸部向后彎曲，從而減小上下頸部載荷，如圖12所示。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)某車型座椅按上述方案進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化前后BioRID II 假人損傷值及得分明細(xì)見表3。

表3 某車型后排座椅優(yōu)化前后得分統(tǒng)計(jì)

由表3可知，座椅改進(jìn)后NIC值由20.30 m2/s2減小到8.50 m2/s2，得分由0.352分提升到0.780分；上頸部載荷Fz+由930.60 N減小到589.00 N，得分由0.184分提升到0.496分；下頸部載荷Fz+由617.40 N減小到395.00 N，得分由0.380提升到0.532。鞭打最終得分由0.910分提升為1.808分，鞭打得分顯著提升，達(dá)到了整改目的。

6 結(jié)語

本文針對(duì)某車型后排座椅C-NCAP 2021版鞭打試驗(yàn)得分較低的問題，對(duì)假人運(yùn)動(dòng)機(jī)理和整個(gè)碰撞過程進(jìn)行受力分析研究，通過下移卷收器位置、增加頭枕?xiàng)U厚度、減小頭枕到頭后間隙、抬升頭枕高度、調(diào)整頭枕角度，使鞭打試驗(yàn)得分顯著提高，有效保護(hù)乘員在車輛追尾事故中的頸部損傷，為C-NCAP（2021）版后排鞭打性能研究和產(chǎn)品開發(fā)提供參考。